LAURI SAVOLAINEN TEOLLISUUDEN LIKAISTEN POISTOILMAVIRTOJEN LÄMMÖN- TALTEENOTTO Diplomityö Tarkastaja: Professori Hannu Ahlstedt Tarkastaja ja aihe hyväksytty Teknisten tieteiden tiedekuntaneuvoston kokouksessa 5.2.2014
ii TIIVISTELMÄ TAMPEREEN TEKNILLINEN YLIOPISTO Konetekniikan koulutusohjelma SAVOLAINEN,LAURI: Teollisuuden likaisten poistoilmavirtojen lämmön talteenotto Diplomityö, 63 sivua, 0 liitesivua Toukokuu 2014 Pääaine: Talotekniikka Tarkastaja: Professori Hannu Ahlstedt Avainsanat: Likaisten poistoilmavirtojen lämmöntalteenotto, savukaasu, rasvainen poistoilma Poistoilmavirtojen lämmöntalteenottolaitteet ovat jo vuosikymmeniä olleet osa ilmanvaihdon suunnittelua. Laitteiden käytön rajoittava tekijä on järjestelmien hinta ja haastavat toimintaolosuhteet. Vaikeimmin toteutettavissa olevat kohteet eivät ole olleet taloudellisesti kannattavia toteuttaa tai markkinoilla ei ole ollut tekniikkaa, jota voitaisi käyttää erittäin likaisessa tai korrosoivassa ympäristössä. Tähän diplomityöhön on koottu tietoutta, jota tarvitaan toimivan laitteiston valinnassa ja suunnittelussa. Työssä on käsitelty yleisesti käytössä olevat lämmönsiirtotekniikat sekä niiden suunnitteluun ja kunnossapitoon vaikuttavia tekijöitä. Työhön on lisäksi kerätty toteutettujen laitteistojen toimintakokemuksia.
iii ABSTRACT TAMPERE UNIVERSITY OF TECHNOLOGY Master s Degree Programme in Mechanical Engineering SAVOLAINEN, LAURI: Industrial heat recovery from dirty exhaust gases Master of Science Thesis, 63 pages, 0 Appendix pages May 2014 Major: Building Services Engineering Examiner: Professor Hannu Ahlstedt Keywords: Heat recovery from dirty exhaust gases, flue gas heat recovery, greasy air Heat recovery from exhaust gases have been part of traditional air conditioning design for decades. Limiting factor is price and challenging operating conditions. With difficulty feasible projects have not been economically profitable or the problem has been the lack of technology for very dirty or harsh corrosive environments. Knowledge which is necessary in the choice and design of the functional heat recovery equipment has been gathered to this master of science thesis. Work covers commonly used heat transfer technologies and factors that affect their design and maintenance. Practical knowledge from working systems has been collected by means of case studies.
iv ALKUSANAT Tämä diplomityö on tehty Insinööritoimisto AX LVI Oylle. Työni ohjaajina toimivat TkL Jarmo Keski-Opas ja DI Börje Hagner. Työni valvojana on toiminut Tampereen teknillisen yliopiston professori Hannu Ahlstedt. Haluan kiittää Jarmo Keski-Opasta ja Börje Hagneria neuvoista ja työni ohjauksesta. Kiitän myös Hannu Ahlstedtia työn valvonnasta ja opetuksesta opiskeluvuosieni varrella. Kiitän myös Tapio Rimpeläistä ja Paavo Salosta case tutkimuksissa avustamisesta ja AX-LVI Oy henkilökuntaa tuesta ja opastuksesta. Tampereella 23.4.2014 Lauri Savolainen Laureenintie 28 D12 36110 Ruutana SISÄLLYS
v SISÄLLYS Tiivistelmä...ii Abstract...iii Alkusanat...iv Termit ja niiden määritelmät...vii 1 Johdanto...1 2 Likaiset poistoilmavirrat ja LTO-potentiaali...3 2.1 Metallintyöstö...5 2.2 Leipomot...5 2.3 Ravintolat...6 2.4 Tuotantotilat ja tehdasalueet...7 3 Käytössä olevat tekniikat ja niiden toiminnalliset ongelmat...8 3.1 Lämmönsiirrintekniikat...8 3.2 Lämmönsiirrinten merkittävimmät ongelmat...11 3.2.1 Lämmönsiirrinten likaantumien...11 3.2.2 Lämmönsiirrinten likaantumismekanismit...11 3.2.3 Lämmönsiirrinten puhdistusmenetelmät...13 3.2.4 Lämmöntalteenotto kastepisteen alapuolella...16 4 Savukaasut...20 4.1 Savukaasujen koostumus...20 4.2 Savukaasun koostumuksen vaikutus suunnitteluun...20 4.3 Savukaasupesurit (scrubber)...20 4.3.1 Ilmastonäkökohdat...21 4.3.2 Jätevesien käsittely...21 5 Rasvaiset ilmavirrat...22 5.1 Rasvan hajotus...22 5.1.1 Otsonointi...22 5.1.2 UV ja TiO 2...22 5.2 Rasvan erotus...22 6 Muiden poistoilman epäpuhtaksien hallinta...23 6.1 Kaasumaiset aineet...23 6.2 Pölyt ja partikkelit...25 6.3 Kiinteä tarttuva lika...31 6.4 Härmistyvä lika...31 6.5 Erilaisten epäpuhtauksien yhteisvaikutus...31 7 Uusi teknologia...32 7.1 Transport membrane condenser...32 7.2 TMC-menetelmän energiansäästöpotentiaali...33 8 Case 1 Leivon Leipomon lämmöntalteenotto...35 8.1 Alkutilanne...35 8.2 Toimenpiteet...36
8.3 Toteutus...36 9 Case 2 Liuotinhöyryjen jälkipolton LTO...49 9.1 Alkutilanne...49 9.2 Toimenpiteet...49 9.3 Toteutus...50 10 Kannattavuuslaskelmat...56 10.1 Laskentamenetelmät...56 10.2 Takaisinmaksuajan menetelmä...56 10.3 Nykyarvomenetelmä...57 11 Yhteenveto ja johtopäätökset...59 12 Lähdeluettelo...61 vi
vii TERMIT JA NIIDEN MÄÄRITELMÄT c p ominaislämpökapasiteetti, kj/kgk putoamiskiihtyvyys, 9,81 m/s 2 h nestepatsaan korkeus, m P teho, kw nestepatsaan hydrostaattinen paine, Pa Q tilavuusvirta, m 3 /s h tilapisteiden välinen entalpiaero, kj/kg lämpötilaero, K tiheys, kg/m 3
1 1 JOHDANTO Teollisuuden prosesseissa ja tuotantorakennuksissa on olemassa suuri energiansäästöpotentiaali. Työn tarkoituksena on tehdä katsaus tämän hetken tilanteeseen lämmön talteenottolaitteistojen kehityksessä sekä kartoittaa olemassa olevia laitteita ja syitä laitteistojen mahdolliseen toimimattomuuteen. Lisäksi tutkitaan edellytyksiä onnistuneelle lämmöntalteenoton suunnittelulle ja toiminnalle. Lämmöntalteenottolaitteita on tehty vuosikymmeniä, mutta energian hinnan noustessa yhä vaikeammin hyödynnettävissä olevat lämmönlähteet ovat mahdollisia toteuttaa taloudellisesti kannattavasti. Lisäksi ympäristötietoisuus on lisääntynyt huomattavasti ja se voidaan nähdä yrityksissä lisäarvoa tuovana tekijänä eikä ainoastaan kuluna. Yrityksissä on voitu toteuttaa pienessä mittakaavassa jopa energiamielessä kannattamattomia lämmöntalteenottoja markkinoitaessa ympäristöystävällistä brändiä tai imagoa. Omalta osaltaan tämä kehitys on tuonut yleisesti avoimemman ilmapiirin lämmöntalteenottolaitteiden rakentamiselle, eikä sitä nähdä enää kuluna tai riskitekijänä prosessin toiminnalle. Suuri tekijä 2000-luvulla lämmöntalteenottojen kehittymisessä ovat olleet tiukentuvat rakennusmääräykset sekä Euroopan Unionin ja Suomen hiilidioksidipäästöjen vähentämistavoitteet ja niitä seuranneet määräykset. Tämä on johtanut omalta osaltaan lämmöntalteenottolaitteiden kehitykseen ja yleistymiseen. Tämän hetken laadukas suunnittelutyö ottaa jo alkuvaiheessa huomioon koko järjestelmän energiatehokkuuden ja elinkaarikustannukset. Työssä käydään läpi lämmönsiirrinten suunnitteluun vaikuttavia asioita ja erilaisten poistoilman epäpuhtauksien erityispiirteitä ja epäpuhtauksien likaantumismekanismeja. Hiukkasten ominaisuudet ja tarttumismekanismit täytyy ymmärtää, jotta suunnittelussa voidaan arvioida laitteiden toimivuutta. Tavoitteena on oppia ja jakaa tietoa olemassa olevista laitteistoista. Tärkeimpiä asioita on valita materiaalit sellaiseksi, että ne kestävät laitteiden toimintaolosuhteet. Tämä johtaa optimointitilanteeseen, jossa valinta tehdään kalliimman patterin ja pidemmän elinkaaren tai halvemman patterin ja lyhyemmän elinkaaren välillä. Mitoitusolosuhteet ja kaasun sisältämät epäpuhtaudet vaikuttavat osaltaan patterin puhdistustarpeeseen ja sitä kautta laitteen geometriaan ja sijoitteluun. Tarkemmin työssä tutkitaan kahden olemassa olevan lämmöntalteenottolaitteiston toimivuutta.
2 Suunnitteluosaaminen on alalla pitkälti erikoistuneiden suunnittelutoimistojen sisällä sekä laitetoimittajilla. Kirjallisuudessa esitellään perustyypit ja nostetaan esille suunnitteluun vaikuttavia asioita, mutta tarkempi näkemys laitteiden toimivuudesta vaihtelevissa olosuhteissa on syntynyt pitkälti kokemuksesta. Öljykriisin jälkimainingeissa 1980- luvulla Kauppa- ja teollisuusministeriön energiaosaston tuella tutkittiin runsaasti energiansäästövaihtoehtoja teollisuudessa. Tällöin alan osaaminen otti suuria harppauksia eteenpäin. Tällöin muun muassa Börje Hagner tutki aihealuetta kirjassa: Lämmöntalteenotto likaisesta teollisuuspoistoilmasta. Myös muiden suomalaisten järjestöjen tuella tutkittiin erilaisia lämmöntalteenoton mahdollisuuksia. INSKO julkaisu, jota kokoamassa on ollut useita myöhemminkin alan asiantuntijoina toimineita, kuten professori Pertti Sarkomaa ja professori Mauri Soininen: Lämmön talteenotto teollisuusprosessien vaikeasti hyväksikäytettävistä jätelämpövirroista. Samaan aikaan syntyi myös savukaasun lämmöntalteenottolaitteita tutkivia diplomitöitä kuten Harri Leppimaan: Teollisuuden savukaasujen lämmöntalteenotto. Suuri osa suomenkielisestä alan tutkimuksesta on kirjoitettu tuohon aikaan. Tekniikat eivät ole perustoiminnaltaan muuttuneet tähän päivään mennessä muuten kuin materiaalien parempien ominaisuuksien ja monipuolisemman käytön osalta. Englanniksi kirjoitettua alan käsikirjaluokan materiaalia edustaa American Conference of Governmental Industrial Hygienists järjestön Industrial Ventilation: A Manual of Recommended Practice sekä erittäin kattavat American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers -järjestön vuosittain päivittyvät käsikirjat.
3 2 LIKAISET POISTOILMAVIRRAT JA LTO- POTENTIAALI Energiansäästöpotentiaalia tutkittaessa täytyy selvittää poistettavan ilmavirran ominaisuudet ja siitä saatava lämpöteho ja -energia. Yhtä tärkeää on tutkia energian sijoituskohde ja sinne sijoitettava lämpöteho ja -energia. Useissa teollisuuden sovelluksissa prosessi toimii jatkuvatoimisena tai esimerkiksi yöksi keskeytyvällä syklillä. Laskelmissa täytyy ottaa huomioon energianlähteen ja energian syöttökohteen käytön samanaikaisuus. Varaajien käyttö tulee usein kysymykseen vain suhteellisen pienessä mittakaavassa, jolloin käyttökohteena voi olla esimerkiksi lämmin käyttövesi. Likaisen poistoilman ollessa kyseessä, kannattaa ensimmäisenä tarkastella mahdollisuudet palautusilman käytölle. Ilman suodatus ja puhdistus on usein merkittävästi halvempi ratkaisu kuin lämmöntalteenoton rakentaminen. Mikäli ulkoilmaa täytyy käyttää, niin perinteiset lämmöntalteenottoratkaisut tulevat kysymykseen. Lämmön talteenottopotentiaali on yksinkertaista arvioida poistettavan ilmavirran määrän, lämpötilatason ja kosteuden perusteella. Ilmavirran likaisuus aiheuttaa haasteita lämmöntalteenoton rakentamiselle. Yleisesti lika ja likaantumismekanismit ovat samanaikaisia ja tehostavat toisiaan. Tästä syystä puhdistustarve ja puhdistustekniikka on aina arvioitava erikseen. Lämmön käyttökohde tulisi aina pyrkiä löytämään mahdollisimman läheltä prosessia. Kuvassa 1 on esitetty kaavio lämmön käyttökohteen valinnasta.
4 Kuva 1. Lämmön käyttökohteen valinta. [1] Virtauksesta saatava lämpöteho lasketaan kaavalla (1). Mikäli kaasun lämpötilan muutoksen aikana tapahtuu kondenssia, niin täytyy latenttilämpö ottaa laskuissa huomioon. Ilmavirran entalpiamuutokset voidaan arvioida ilman hx-piirroksesta tai Mollierkäyrästöstä. Tällöin saatava lämpöteho saadaan kaavalla (2). = (1) = h (2) jossa h on tilavuusvirta, m 3 /s on ominaislämpökapasiteetti, kj/kgk on tilapisteiden välinen lämpötilaero, K on virtausaineen tiheys, kg/m 3 on tilapisteiden välinen entalpiaero, kj/kg
5 2.1 Metallintyöstö Metallien mekaanisen käsittelyn yhteydessä työskentelytilan ilmaan syntyy pieniä määriä öljysumua tai pieniä metallipartikkeleita, joihin on tarttunut öljyä. Likaisesta ilmasta tulisi aina mitata likaavien aineiden määrä ja arvioida puhdistustarve. Ilma poistetaan yleensä kohdepoistoilla työpisteeltä. Jotta likainen ilma olisi mahdollista johtaa lämmöntalteenottolaitteiston läpi, täytyy ilma puhdistaa riittävässä määrin. Suodatuslaitteisto on valittava ilman likaisuuden ja lian ominaisuuksien perusteella. Mikäli kohdepoistoja käytetään vain ajoittain tai ilmamäärät ovat vähäisiä, on mahdollista johtaa likainen ilma yleisilmanvaihdon kautta LTO-laitteelle. Tällöin täytyy huolehtia LTO-laitteen pesumahdollisuudesta. Tässä tulee huomioida lämmöntalteenottolaitteen tyyppi. Jotkin metallintyöstössä aiheutuvista ilman epäpuhtauksista ovat terveydelle haitallisia, jolloin pyörivän lämmöntalteenottolaitteen käyttö ei välttämättä sovi. Hitsauskaasut Hitsauksessa syntyvien epäpuhtauksien määrä riippuu voimakkaasti hitsaustavasta. Jatkuvatoimiset hitsausmenetelmät synnyttävät runsaasti epäpuhtauksia, kun taas esimerkiksi pistehitsauksessa ei synny merkittäviä epäpuhtauksia. Hitsauskaasujen partikkelikoko on pieni (0,01-0,1 µm), jolloin hienosuodattimet ja sähkösuodattimet tulevat kysymykseen. [1] Hiontapöly Hiomisesta syntyy runsaasti pölymäistä likaa, joka usein leviää ympäristöön. Pölymäinen lika voi sisältää myös maalipölyä tai muita erilaisia kiinteitä ja kuivia aineita. Runsaan pölymäisen lian poistoon sopii esimerkiksi syklonierottimet, joiden kanssa yhdessä voidaan käyttää esimerkiksi suodattimia tai pesureita hienompijakoiselle pölylle, joka erottuu heikosti syklonissa. Mikäli hiontapölyn seassa on erilaisia höyryjä (kondenssiriski) tai öljyä, kasvaa likaantumisriski merkittävästi. 2.2 Leipomot Leipomotilojen ilman epäpuhtauksista merkittävin on jauhopöly. Jauhopölyn pitoisuudella on suuria työterveydellisiä vaikutuksia, mutta se on myös merkittävä ilmanvaihtolaitteiden ja kanavistojen likaaja. Jauhopölyn hiukkaskoko on 0,5-5 µm [1]. Tällöin ilma olisi tarkoituksenmukaista suodattaa ennen lämmöntalteenottolaitteistoa, tai suunnitella lämmöntalteenotto automaattisella pesulaitteella. Pesulaitteeksi soveltuu kuivissa oloissa paineilmapuhdistus. Jos ilmanvaihdossa on riski kondenssin muodostumisesta LTOlaitteessa, niin täytyy lämmöntalteenotto silloin suunnitella automaattisella pesulaitteella.
6 Uunien lämpökuorma Leipomouunit aiheuttavat tiloihin suuren lämpökuorman, joka täytyy jäähdytyskaudella poistaa tehokkaasti. Eräässä kohteessa leivonnaisten kypsentämiseen käytetyn uunin poistopään huuvan LTO järjestelmän mitoituslämpötilana käytettiin 60 C. Mitoituslämpötilat riippuvat tietenkin tilanteesta ja lämpötila tulisi tarkastaa mittauksin. Uunihönkä Uunihöngällä tarkoitetaan tässä tapauksessa uunin sisältä vuotavaa kuumaa ilmaa. Uunit ovat aina sisältä lievästi alipaineisina, jotta käryt, lämpö ja vesihöyry eivät pääse leipomotilaan. Kuitenkin jatkuvatoimisen uunilinjan suuaukolta ilmaa vuotaa aina jonkin verran. Uunihönkä voi olla lämmintä ja kosteuspitoista. Tyypillinen vesihöyrypitoisuus paistotilan höyryissä on 50-70 g/kg. Kosteus lauhduttamalla voidaan saada suuria energiamääriä talteen. Samalla ilma voi olla hyvinkin likaista ja likaisen kaasun lauhduttaminen tuo lisähaasteita lämmöntalteenottolaitteiden suunnittelulle puhdistusmielessä. Leivonnaisten kypsytyksessä syntyvät päästöt voivat olla esimerkiksi hyvin korrodoivia kondensoituessaan lämmönsiirtimen pinnalle. Tällöin tulee käyttää haponkestäviä materiaaleja. Uunihöngän lämmöntalteenotto on todennäköisesti kannattava investointi. [1] Savukaasut Savukaasun lämmöntalteenottolaitteen toteutus riippuu paljon käytetystä polttoaineesta. Mikäli savukaasut halutaan jäähdyttää kastepisteen alapuolelle, täytyy ottaa huomioon savukaasun sisältämien happojen korroosiovaikutus. Savukaasujen lämmöntalteenottolaitteista lisää kappaleessa 4. 2.3 Ravintolat Keittiöt Keittiön huuvien kautta poistettava ilma on monesti rasvaista. Lämmöntalteenoton rakentaminen keittiön ilmanvaihtojärjestelmään edellyttää melko suurta poistoilmavirtaa keittiöstä ja pitkiä käyttöaikoja. Järjestelmän hyötysuhdetta voidaan mahdollisesti parantaa, jos pystytään yhdistämään muita likaisia ilmavirtoja samaan järjestelmään. Rasvaisuusaste riippuu voimakkaasti myös keittiöstä ja ruuanvalmistustasoista. Parilagrillitasot ja muut paistotasot kehittävät ilmaan huomattavasti enemmän aerosoleja kuin rasvakeittimet. [2] Rasvan vähentämiseen kanavistossa voidaan käyttää UV-valon ja titaanioksidin (TiO 2 ) yhdistelmää tai otsonia tuottavia järjestelmiä. Rasvanerotukseen Jeven on kehittänyt pieniä syklonitekniikkaan perustuvia erottimia, joiden yhteisvaikutuksesta päästään melko hyviin lopputuloksiin. Lämmön talteenottojärjestelmä täytyy kaikesta huolimatta suunnitella sellaiseksi että vesipesu on mahdollista suorittaa esimerkiksi laitteiden rikkoutumisen tai huollon laiminlyönnin takia. Rasvakanavien nuohouksen tarpeen vähentämiseksi rasvansuodatusjärjestelmät ovat perusteltavissa.
7 2.4 Tuotantotilat ja tehdasalueet Erilaiset tuotantotilat ja niiden prosessit saattavat sisältää runsaasti suuria energiavirtoja, joiden hyödyntäminen niiden käyttöönoton aikaan ei ole ollut taloudellista halvan energian johdosta tai tekniikka on ollut vielä kallista toteuttaa. Raskaamman teollisuuden kohteissa kustannustehokkaan energian sijoituskohteen löytäminen on voinut asettua haastavataksi. Teollisuusalueilla toimittaessa täytyy suunnittelijan olla merkittävästi kriittisempi ja pystyä kyseenalaistamaan perinteiset ratkaisut sekä perinteiset olosuhteet. Esimerkiksi ulkoilman olosuhteet ovat voineet olla normaalia ulkoilmaa huomattavasti haastavammat tehdasalueen päästöjen takia. Suomessa Raahen ja Harjavallan tehdasalueella ilmanvaihtojärjestelmien laiteosat täytyy esimerkiksi suunnitella tulopuolella haponkestävistä materiaaleista ilmanvaihdon lämmityspatteriin saakka, jotta laitteet kestävät paikalliset olosuhteet. Ilmastotietoa löytyy parhaiten kyseisen tehdasalueella toimivilta osapuolilta. Mikäli on kyse uudisrakentamisesta, niin täytyy tietoa etsiä jo toteutetuista vastaavista kohteista. Teollisuuden tuotannossa löytyy runsaasti tilanteita, joissa laadukkaan toiminnan edellytyksenä ovat tasaiset olosuhteet lämpötilan ja kosteuden osalta. Näiden laitosten ilmanvaihdon energiankulutus voi olla merkittävästi suurempi kuin ihmislähtöisen ilmanvaihdon, koska Suomen ilmasto-olosuhteissa kesä- ja talviajan ilmasto vaihtelee runsaasti lämpötilan ja kosteuspitoisuuden osalta. Erityisesti talviajan lisäkostutustarve voi olla suuri, jos sisäilmaston kosteuspitoisuudelle asetetaan vaatimuksia.
8 3 KÄYTÖSSÄ OLEVAT TEKNIIKAT JA NIIDEN TOIMINNALLISET ONGELMAT 3.1 Lämmönsiirrintekniikat Levysiirrin Levysiirtimessä ainevirrat virtaavat lämpöä johtavien levyjen välissä. Lämpötilahyötysuhde levysiirtimissä on luokkaa 50-70 %. Edut Ei liikkuvia osia, vähäinen huollon tarve. Ilmavirrat erotettu toisistaan. Puhdistus helppoa. Voidaan valmistaa erilaisista materiaaleista tai pinnoittaa. Kuljetus ja käsittely helppoa. Haitat Tulo- ja poistohormisto täytyy yhdistää. Huurtumisenestojärjestelmä tarvitaan. Ei suuria ilmavirtoja. Ei korkeita lämpötiloja tiivistesilikonien kestävyyden vuoksi. Lämpöputkipatteri Lämpöputkipatterissa tavallisen putki/ripayhdistelmän nesteputket on korvattu suljetuilla lämpöputkilla, joissa lämmönsiirtoneste höyrystyy ja lauhtuu putkessa siirtäen energiaa ilmavirrasta toiseen. Lämpöputkipatterin tehoa säädetään kallistamalla lämmönsiirrintä, jolloin höyrystyvä ja lauhtuva neste liikkuu putkissa tehokkaammin. Lämpötilahyötysuhde lämpöputkipatterissa on luokkaa 55-65%. Edut Irroitettavissa puhdistuksen ajaksi. Ei vaadi putkikytkentöjä. Haitat Suuri painehäviö. Tulo ja poistohormisto täytyy yhdistää.
9 Nestekiertoinen järjestelmä Nestekiertoisessa järjestelmässä väliaine kiertää putkistossa ja siirtää energiaa ilmavirrasta toiseen. Kiertoaineena käytetään 30-40 % vesi-etyleeniglykoliseosta, jos järjestelmän toiminnassa havaitaan jäätymisriski toimintapisteiden tai putkien sijainnin takia. Muulloin siirtoaineena käytetään vettä. Järjestelmää voidaan käyttää, kun ilmavirrat eivät saa sekoittua tai jos kanavistoa ei pystytä yhdistämään esimerkiksi saneerauskohteissa tai hygienia- tai paloturvallisuussyistä. Patterin rakennevaihtoehtoja on tällä hetkellä useita, jotka eroavat toisistaan painehäviön ja puhdistettavuuden osalta. Patterina voidaan käyttää tavallista lamellipatteria, joka on yleisin perinteisissä ilmanvaihtojärjestelmissä. Tavallista likaavammissa olosuhteissa patterin puhdistus on olennainen valintakriteeri. Vaihtoehtoina on harvalamellinen lamellipatteri, neulaputkipatteri, ripaputkipatteri tai harjalämmönsiirrin. Kaikissa toimintaperiaate on sama, mutta rakenteella on pyritty lisäämään lämmönsiirtopinta-alaa puhdistettavuuden kärsimättä ja painehäviön kasvamatta. Erityisen likaantumisherkissä tapauksissa on päädytty sileäputkipatteriin. Yleensä patterin lämmönsiirtopinnan pienentyessä kokoa joudutaan kasvattamaan, jotta haluttuihin tehoihin päästään. Patterin hinta ja fyysinen koko voi kasvaa ongelmalliseksi. Nestekiertoisia levylämmönsiirtimiäkin on markkinoilla. Toimintaperiaate on kuitenkin sama kuin nestekiertoisissa lämmöntalteenottolaitteissa. Näissä kaksi metallilevyä on pistehitsattu kiinni toisiinsa ja pullistettu paineella, jolloin rakenteesta tulee kennomainen. Siirrin koostuu useista levyistä joiden sisällä virtaa lämmönsiirtoneste ja levyjen väleissä ilma. Lämpötilahyötysuhde nestekiertoisessa järjestelmässä on luokkaa 40-55 %. Edut Kanavistoja ei tarvitse yhdistää. Ei ilmavirtojen sekoittumisvaaraa. Yksinkertainen säädettävyys (hyötysuhde ja huurtumisenesto). Pieni tilantarve. Haitat Melko huono lämpötilasuhde 40-60 %. Kuluvia liikkuvia osia kuten pumput, moottorit, venttiilit. Tarvitaan jäätymissuoja. Patterit melko suuria. Regeneraattori Regeneratiivinen eli lämpöä varaava lämmönsiirrin. Yleisimpiä malleja ovat pyöreät lämmönsiirtimet, joissa pyörivän lämpöä varaavan kiekon läpi virtaa ilma. Malleja on myös ilmavirran suuntaa vaihtavia, joissa lämmönsiirtimen läpi virtaa vuorotellen kyl-
10 mä ja lämmin ilma. Regeneraattoreita on myös mahdollista pinnoittaa materiaaleilla, jotka siirtävän vesihöyryä adsorptiota hyväksi käyttäen. Tällä on mahdollisia sovelluksia kuumemman ja kosteamman ilmaston maissa sekä kylmävarastoissa. Tällöin ilmaa ei tarvitse kuivattaa niin paljoa jäähdytyspatterilla, jotta päästään haluttuihin tuloilman lämpötiloihin. Edut Korkea lämpötilasuhde 80 %. Siirtää myös kosteutta. Hyvä säädettävyys. Pieni jäätymisvaara. Haitat Ilmavirrat sekoittuvat aina jonkin verran, jolloin niitä ei voi käyttää kohteissa, joissa sitä ei voida sallia. Tulo- ja poistokanavisto täytyy yhdistää. Paljon liikkuvia ja kuluvia osia. Pesurit ja pisaralämmönsiirtimet Pisaralämmönsiirtimissä lämmönsiirtopintoja ja väliaineena käytetään kaasuun suihkutettavaa nestettä. Useimmiten tämä suihkutettava aine on vettä. Tällöin kaasun lämpö siirtyy nesteeseen ja nesteestä voidaan lämpöä ottaa talteen tavanomaisin keinoin. Tavoitteena on usein myös puhdistaa ulos puhallettavaa ilmaa, jolloin voidaan puhua pesureista (eng. scrubber). Pisaralämmönsiirtimiä on käsitelty tarkemmin savukaasujen lämmöntalteenoton yhteydessä. Edut Poistoilmaa puhdistava vaikutus edullista ympäristölle. Pystytään turvallisesti alittamaan kaasujen happokastepiste. Mahdollisuus suuriin energiansäästöihin. Mahdollista ottaa lämpöä talteen likaisesta ilmasta joka tukkisi tavallisen lämmönsiirtimen sekä aiheuttaisi suuria korroosio-ongelmia. Haitat Suurehko rakenne, joka edellyttää usein asennusta ulkoilmaan. Kallis. Jäteveden puhdistus mahdollinen ongelma sekä kuluerä ellei pesuvettä voida laskea normaaliin viemäriin. Jos ei ole pesuritarvetta, sopii vain hyvin kostean poistoilman tapauksiin, muuten ilma jäähtyy liian paljon. [1] [3] [4]
11 3.2 Lämmönsiirrinten merkittävimmät ongelmat 3.2.1 Lämmönsiirrinten likaantumien Lämmönsiirrinten likaantumien on lähtökohtaisesti suurin ongelma, joka johtaa lämmöntalteenoton toiminnan epäonnistumiseen. Likaantuminen voi johtua suunnittelun tai toteutuksen virheistä, huollon puutteesta tai toiminnan muutoksista, jotka ovat merkittävästi muuttaneet prosessin suunnittelutietoja. Lämmönsiirrinten likaantuminen pitäisi ottaa jo suunnitteluvaiheessa huomioon. Perusongelma on, että poistoilma sisältää lähes aina jonkin verran epäpuhtauksia. Lopputuloksena lämmönsiirrin likaantuu varmasti jollakin aikavälillä. On tärkeää osata arvioida, kuinka nopeasti likaantuminen tulee tapahtumaan ja mitä seurauksia likaantumisella on, jotta siihen voidaan varautua järjestelmää suunniteltaessa. Suunnittelijan ja laitetoimittajan täytyy ymmärtää lämmönsiirtimen puhdistusjärjestelmän ja poistoilman puhdistuksen vaikutus lämmönsiirtimen elinikään. 3.2.2 Lämmönsiirrinten likaantumismekanismit Lämmönsiirrinten likaantuminen on hyvin monimutkainen prosessi, joka sisältää monimutkaisia kemiallisia prosesseja ja fysikaalisten ominaisuuksien yhteisvaikutuksia. Tässä kappaleessa on kerrottu lämmönsiirrinten likaantumisen perusmekanismeista. Lämmönsiirrinten likaantumiseen vaikuttavat muun muassa fluidin virtausnopeus ja viskositeetti, pinnan karheus, materiaalien väliset adheesiovoimat. Ville Väre käsittelee työssään lämmönsiirrinten likaantumista monipuolisesti. [5] Kiteytyminen Saostuminen on tapahtuma, jossa fluidiin prosessissa liuenneet suolat muuttuvat kiinteiksi aineiksi lämmönsiirtopinnoille. Tapahtuma voi seurata esimerkiksi seuraavia tapahtumia: Liuottimen haihtuminen, mistä seuraa konsentraation kasvu. Liuottimen lämpötilan lasku liukoisuusrajan alapuolelle. Liuottimen lämpötilan nousu tilanteissa, joissa liuennut aine kiteytyy, kun lämpötila nousee liukoisuusrajan yläpuolelle. Tämän kaltaisia aineita ovat esimerkiksi CaCO 3, CaSO 4, Ca 3 (PO 4 ) 2, CaSiO 3, Ca(OH) 2, Mg(OH) 2, MgSiO 3, Na 2 SO 4, Li 2 SO 4 ja Li 2 CO 3 veteen liuenneena. Kahden erilaisen aineseoksen sekoittaminen. ph:n vaihtelut jotka vaikuttavat hiilidioksidin CO 2 liukoisuuteen veteen. Jähmettyminen, jossa aine muuttuu nesteestä kiinteäksi aineeksi. Esimerkiksi seoksessa, jossa seoksen yksi komponentti jähmettyy lämmönsiirtopinnoille.
12 Sedimentaatio / Hiukkasten kerääntymien Sedimentaatiossa hiukkaset tarttuvat tai kerääntyvät lämmönsiirtopinnoille. Esimerkiksi savi, liete tai metallioksidit, jotka kerääntyvät pintoihin. Biologinen likaantuminen Biologinen likaantuminen tarkoittaa mikro-organismien ja niiden sivutuotteiden, kuten bakteerien kiinnittymistä lämmönsiirtopinnoille ohuena filminä. Mikro-organismeja seuraa yleensä makro-organismit, kuten simpukat ja isommat levät jotka käyttävät mikro organismeja ravintonaan. Mikrobiologinen likaantuminen voi olla ongelma myös tilanteissa, joissa kiertoon pääsee ulkoilmaa. Lämpötilataso 15-50 C on ideaalinen mikrobien kasvualustaksi. Tämän kaltaisia lämpötilatasoja voidaan löytää esimerkiksi jäähdytystorneista ja mahdollisesti savukaasupesureissa. Bakteerien ja mikro-organismien aiheuttama lima lämmönsiirtopinnoilla toimii myös suodattavana kerroksena, johon kertyy enemmän erilaista likaa. Mikäli halutaan toimia alle näiden lämpötilatasojen, täytyy laitteisto desinfioida puhdistuksen yhteydessä. [6] Kemiallinen reaktio Kemiallisen reaktion kautta kasautuvalla lialla tarkoitetaan tapahtumia, joihin lämmönsiirtopinnat eivät osallistu, kuten polymerisaatio. Korroosiolikaantuminen Lämmönsiirtopintojen korroosiossa muodostuvien metallien oksidien lämmönjohtavuus on melko hyvä, joten oksidikerroksen lämmönvastus jää pieneksi. Oksidikerroksen pinta voi kuitenkin olla karhea, mikä voi edistää muita likaantumismekanismeja. On mahdollista, että oksidikerros kasvaa ja mahdollisesti tukkii lämmönsiirtimen tai putkiston. [7] Lämmönsiirrinten korroosio Lämmönsiirtopinnoille kondensoituvat höyryt voivat vaurioittaa lämmönsiirtopintoja. Erityisesti jos lähestytään veden tai muiden aineiden kastepistettä. Komponenttien ja kanavistojen pintalämpötilat täytyy pitää 11-17 K kastepisteen yläpuolella, jotta vältetään venttiilien ja kanavistojen korroosio. [8] Lämmönsiirtopinnat voidaan valmistaa erilaisia happoja kestävistä materiaaleista tai pinnoittaa. Mikäli aineiden kondenssi hyväksytään, täytyy kondenssinpoistosta huolehtia ja kondenssin kanssa tekemisissä olevien putkistojen materiaalivalinnat varmistaa. Materiaalivalinnat tulee aina tehdä tilannekohtaisesti esimerkiksi laitevalmistajan kanssa. Korroosio-ongelmat ovat useasti kierrettävissä materiaalivalinnoilla, mutta tällöin kustannukset voivat nousta merkittävästi kun käsitellään hankalampia aineita. Erilaisia pinnoitettuja, ruostumattomia ja haponkestäviä metalleja on käytettävissä runsaasti. Li-
13 säksi erilaisia lasista, kerameista tai muoveista valmistettuja lämmönsiirtimiä alkaa markkinoilla olla paljon. Myös näiden yhdistelmiä on alettu hyödyntää paremmin. Esimerkiksi Taniplan suomessa myy teflonpinnoitettuja lasisiirtimiä, jotka kestävät jopa fluoria sisältäviä happoja. Lasisiirtimiä on käytetty jo pidempään prosessi-ilman lämmöntalteenottolaitteissa. Täysin ongelmattomia eivät lasiset siirtimet kuitenkaan ole olleet. Siirrinputkien rikkoutuminen on merkittävä riski. Kokonaan teflonputkista tehtyjä lämmönsiirtimiä on myös käytetty fluoria sisältävien polttoaineiden lämmöntalteenotoissa esimerkiksi Saksassa. Teflon asettaa käytölle merkittävät lämpötilarajoitteet huonon kuumankestävyyden takia verrattuna metalleihin. Tästä syystä lämmönsiirtimien vuodot ovat olleet kokemusten mukaan ongelma. Teflonputkilämmönsiirtimissä koko lämmönsiirtopatterin sisäpinnat runkoa myöten täytyy olla teflonpinnoituksella. Jukka Vettenranta kirjoittaa lamellipattereiden korroosiosta ja materiaalivalinnoista eri käyttöolosuhteissa. [9] Lämmönsiirrinten tukkeutuminen Lämmönsiirrinten likaantuminen tulisi pystyä havaitsemaan ennen koko laitteen tukkeutumista. Järjestelmään tulisi suunnitella mahdollisuus siirtimen ohitukselle ongelmatilanteissa ja puhdistusjaksoja varten. Erittäin ongelmallisissa tilanteissa järjestely on johtanut siihen, että ohitusta käytetään jatkuvasti. Tähän johtaneita syitä voi olla esimerkiksi huollon tai puhdistuksen laiminlyönti. Ohitus voi johtaa siihen, että investoinnin kannattavuus heikkenee. Suunnitteluvaiheessa ei pystytä ennakoimaan kaikkea, jolloin olisi järkevää huolehtia mahdollisimman hyvistä huoltomahdollisuuksista tai mahdollisesta lämmönsiirtimen vaihtamisesta. 3.2.3 Lämmönsiirrinten puhdistusmenetelmät Tukkeutumisen ja likaantumisen ennalta ehkäiseminen on optimaalisin vaihtoehto voimakkaasti likaantuvissa sovelluksissa. Tässä kappaleessa esitellään erilaisia periaatteellisia puhdistustekniikoita. [5] [7] Itse puhdistuva lämmönsiirrin Tässä tapauksessa itse puhdistuvalla lämmönsiirtimellä tarkoitetaan putkilämmönsiirrintä jonka putkien sisäpuolelle on viritetty jousi, joka virtaavan aineen vaikutuksesta värähtelee. Jousi hieroo putken sisäpintoja värähdellessään ja estää likaa kiinnittymästä siihen. Kuulanuohous Kuulanuohouksessa lämmönsiirtimen läpi ohjataan kuulia tai pellettejä, jotka irrottavat lian lämmönsiirtopinnoista. Tämän tyyppinen nuohous vaatii lämmönsiirtimeltä erikoissuunnittelua. Kuulanuohousta käytetään ilmapintojen puhdistamiseen, mutta on myös
14 kehitetty nesteen seassa kulkeutuvia kuulia, jotka nuohoavat putkisiirtimen sisäpintoja. Kuulien ominaisuudet vaikuttavat täten myös virtausnopeuksiin sekä materiaalivalintoihin. Painepuhallus Paineilmapuhallusta käytetään runsaasti sen helppouden takia. Ilmaa voidaan käyttää suodattimien lämmönsiirrinten puhtaaksi puhaltamiseen. Järjestelmän toiminta perustuu nopeaan ilmavirtaan, joka irrottaa kasaantuneen, kuiva ja pölymäisen lian lämmönsiirrinpinnoilta, muiden puhdistuslaitteiden pinnoilta tai kanavistojen pinnoilta. Paineilmapuhdistusjärjestelmä on mahdollista suunnitella kiinteäksi osaksi järjestelmää, jolloin järjestelmän eduiksi voidaan laskea helppokäyttöisyys ja mahdollisuus prosessin aikaiseen puhdistukseen. Tällöin pitää kuitenkin huolehtia, että puhdistusvaikutus on riittävä. Tämä voidaan havaita säännöllisillä tarkastuksilla. Järjestelmä on myös edullista järjestää kiinteäksi osaksi huoltotoimenpiteitä, jolloin käytetään liikuteltavia puhdistuslaitteita. Tällöin pitää huolehtia riittävästä määrästä paineilmaliitäntöjä, riittävästä huoltotilasta ja tarpeeksi suurista huoltoluukuista. Paineilmapuhdistus asettaa tarpeita myös paineilman laadulle. Hygroskooppiset materiaalit tarvitsevat kuivattua ja öljytöntä paineilmaa. Lisäksi kostean tai öljypitoisen paineilman puhallus lämmönsiirtopinnalle voi tehostaa kuivan pölyn tarttumista pinnoille. Puhallettu ilma törmää helposti lämmönsiirtimen ensimmäisiin putkiriveihin, jolloin puhdistusteho voi rajoittua siirtimen pintaosiin. Lämmönsiirrin tulisi tällöin suunnitella mahdollisimman ohueksi. [1] Paineilmapuhdistuksen tehoa voidaan lisätä yhdistämällä paineilmalaitteiden virtaan nestemäistä typpeä tai kuivajää-pellettejä. Nämä normaalissa ilmanpaineessa höyrystyvät aineet suihkutetaan paineilmalla pintaan, jossa kiinteä aine höyrystyy ja laajenee nopeasti. Suihkutettava aine jäähdyttää likakerroksen ja lämmönsiirtopinnan aiheuttaen nopean lämpötilan muutoksen, jolloin likakerrokseen syntyy mikrohalkeamia, joihin aine tunkeutuu räjäyttäen lian irti metallipinnasta. Menetelmän eduiksi voidaan laskea vähäinen pinnan mekaaninen rasitus, kemikaalittomuus sekä vedettömyys. Painevesipesu Painevesipesu on yksi yleisimpiä puhdistusmenetelmiä sen yksinkertaisuuden takia. Puhdistuslaitteet ovat yksinkertaisia ja tunnettuja sekä niiden käytöstä on runsaasti kokemusta.
15 Painepesua suunniteltaessa on LTO-patteri suunniteltava riittävän väljäksi, jotta puhdistava vaikutus saadaan aikaiseksi. Patteri voidaan tarpeen mukaan jakaa useampaan osaan. Pesuveden suihkutussuunta voidaan valita ylhäältä alas tai sivusta. Pesu voidaan suorittaa lämpimällä tai kylmällä vedellä. Liuotusominaisuuksien parantamiseksi pesuveteen voidaan lisätä pesuainetta. Pesuainetta käytettäessä tulee varmistua patterin materiaalivalinnoista, jotta pesuaineet eivät vahingoita pinnoitteita ja edistä korroosiota. Kaikki tilanteet eivät vaadi painepesua, vaan esimerkiksi patterin yläpuolelta ruiskutettava huuhtelu riittää saamaan haluttu puhdistusvaikutus. Ultraäänipesu ja liuotus Ultraäänipesussa likainen lämmönsiirrin upotetaan liuottavaan nesteeseen, johon johdetaan voimakasta ultraääntä. Ultraääni saa nesteeseen aikaan paineenvaihteluita, jotka aiheuttavat kiinteän kappaleen pintaan mikroskooppisen pieniä kavitaatiokuplia. Kavitaatiokuplat luhistuvat ja synnyttävät pieniä paineiskuja pintaan, mikä mekaanisesti irrottaa lian pinnasta sekä sekoittaa nesteen kylläistä rajakerrosta likakerroksen lähellä tehostaen liuottimen vaikutusta. Ultraäänipesu soveltuu tilanteisiin, joissa lämmönsiirrin on mahdollista irrottaa ja upottaa pesualtaaseen. Tämä rajoittaa usein käyttömahdollisuuksia suurien lämmönsiirtimien kanssa, koska fyysinen koko tekee irrotus- ja asennustyön hankalaksi. Ultraäänipesulla on päästy kuitenkin hyviin lopputuloksiin erittäin vaikeasti likaantuneiden lämmönsiirrinten puhdistamisessa. Laitteistolla voidaan irrottaa lähes kaikenlaista kiinni tarttunutta tai palanutta ja mahdollisesti kovettunutta tahmeaa likaa kuten tervaa tai bitumia. [10] [11] Kanadassa öljyhiekan jalostuksessa käytettävien suurten putkilämmönsiirrinten puhdistaminen vaippapuolelta olisi erittäin hankalaa painepesulla, koska lika on päässyt putkiväleistä putkipaketin sisälle. Näiden jalostuslaitosten lämmönsiirtimet ovat suuria, joten puhdistusta varten jouduttiin valmistamaan 9 m * 2,7 m kokoinen allas, jonka vesitilavuus oli 28 m 3. Laitteistolla päästiin erittäin hyviin lopputuloksiin. Ultraäänipuhdistuksella pystyttiin puhdistamaan lämmönsiirtimiä, joita ei muilla keinoilla oltu saatu puhtaaksi. Puhdistusaika laitteistolla on 4-12 h hauteessa. [10] [11] Ravistus Ravistusta käytetään lähinnä savukaasujen lämmön talteenottolaitoksissa irrottamaan kuivaa pölyä. Vaihtoehtona ravistukselle voidaan nähdä ääninuohous ja puhallus.
16 Höyrypesu Höyry soveltuu rasvaisen ja tahmean lian poistoon. Erityisesti jos lika on vesiliukoista ja sen viskositeetti muuttuu voimakkaasti lämpötilan noustessa 150 C:een. Höyry on järkevä vaihtoehto, jos höyryä on saatavilla runsaasti. Vaihtoehtona höyrylle voidaan nähdä vesipesu. Ääninuohous Ääninuohouksen periaatteena on saada aikaan ääniaaltoja jotka estävät ongelmallisten kerrostumien muodostumisen jo alkuvaiheessa. Ääniaallot luovat paineaaltoja ilmavirtaan, mikä tärisyttää pienet partikkelikasan irti toisistaan ja näin estää pölymäisten partikkelien kerääntymisen pinnoille. Ääninuohous on tehokkainta kuivalle pölymäiselle lialle kuten tuhkalle. Ääninuohousta voidaan käyttää tukemaan erilaisia muita puhdistustekniikoita, esimerkiksi sähkösuodattimen, kanavistojen, puhaltimien yms. puhtaana pitämiseen. Ääninuohous vähentää merkittävästi pölyn kerääntymistä järjestelmään. Etuina ääninuohoukselle voidaan nähdä edullisuus ja suhteellisen yksinkertaiset laitteistot. [12] 3.2.4 Lämmöntalteenotto kastepisteen alapuolella Energian hinnan nousu, materiaalien kehitys ja lisääntynyt ympäristötietoisuus on johtanut tilanteeseen, että yhä useammassa prosessissa halutaan kaasut jäähdyttää siinä olevien höyryjen kastepisteen alapuolelle höyrystymislämmön talteen ottamiseksi. Ympäristömääräykset ovat lisäksi tiukentuneet, mikä on kiihdyttänyt savukaasujen puhdistuslaitteiden kehitystä. Samalla käytännön kokemus ja suunnittelutieto esimerkiksi happoja sisältävien höyryjen kondenssista on lisääntynyt. Teollisuudessa löytyy runsaasti prosesseja, joissa käytetään lämmintä vettä tai höyryä suoraa työskentelytilassa. Tämä johtaa korkeisiin työskentelylämpötiloihin ja suureen ilmankosteuteen. Ongelmaa on yritetty ratkaista lisäämällä ilmanvaihtoa ja jäähdytystä, mikä johtaa vain suurempaan energiankulutukseen. Kostea ilma tulisi poistaa sen syntypaikasta kohdepoistolla, jolloin työskentely-ympäristön sisäilman olosuhteet pysyvät hyvinä ja lämmöntalteenotto tehostuu. Nesteen kondensoituessa lämmönsiirtimen pinnoille saadaan myös latenttilämpö talteen. Jäähdytystarkoituksessa kondenssilla on hyvin päinvastainen vaikutus haluttuun lopputulokseen. Prosessiolosuhteiden vaihdellessa pitää mitoitusarvot valita harkiten ja arvioida, mikä vaikutus laitteiston toiminnalle on, jos poistoilma muuttuu merkittävästi kuivemmaksi kuin mitoitustilanteessa. Myös suuren kosteuden tilanne tulisi simuloida yksinkertaisin menetelmin, jotta voidaan varmistua, ettei suuri vesimäärä tuki lämmönsiirrintä ja heikennä laitteiston toimintaa tukkimalla ahtaat ilmavälit. Veden kondensoituminen voi moninkertaistaa lämmönsiirtimen tehon, koska vedellä on merkittävästi pa-
17 remmat lämmönsiirto-ominaisuudet kuin ilmalla ja poistoilman kosteuden höyrystymislämpö saadaan hyödynnettyä. Suhteellisen puhtaassa ilmavirrassa olevan kosteuden kondensoituminen ei aiheuta suuria ongelmia. Mikäli prosessi sisältää rikin palamistuotteita tai muita aineita, jotka veden kanssa reagoidessaan muodostavat happoja, pitää materiaalivalinnat harkita tarkasti. [13] Kosteiden ilmavirtojen lämmöntalteenoton suunnittelussa pitää suunnitteluvaiheessa pystyä arvioimaan syntyvän kosteuden määrä. Nestevirta voi talviaikana olla merkittävä ja se asettaa haasteita kondenssin viemäröinneille. Tavalliset comfortilmanvaihtokoneiden viemäröintiratkaisut eivät ole aina riittäviä. Tämän kaltaisissa koneiden suunnittelussa ei ole ajateltu jatkuvaa nestevirtaa vaan ajoittaista kostumista. Mikäli lämmönsiirrin on jatkuvasti märkä, pitää koneen rungon ja osien olla korroosiota kestävistä materiaaleista rakennettu. Lisäksi tyypillisten koneiden viemäröintiyhteet ovat koneen sivuilla, jolloin rungon pohjalla on jatkuvasti ohut vesikerros. Kaatojen pitää olla riittävän suuret, jotta nestekerroksen korkeuden aiheuttama hydrostaattinen paine on suurempi kuin puhaltimen aiheuttama alipaine märässä lohkossa. Lohkon alipaineen vaikutusta nestepatsaan korkeuteen on havainnollistettu kaavalla (3). = h (3) jossa h on nestepatsaan hydrostaattinen paine, Pa on putoamiskiihtyvyys, 9,81 m/s 2 on nesteen tiheys, kg/m 3 on nestepatsaan korkeus, m Lohkossa oleva 100 pascalin alipaine vastaa 10,1 mm nestepatsaan hydrostaattista painetta. Tällöin esimerkiksi 500 pascalin alipaine synnyttää noin 5 cm nestepatsaan. Kammiossa täytyy tällöin olla kaato, jonka toiminta ei häiriinny ilmavirran aiheuttamasta kitkasta ja paine-ero tulee olla huomioitu vesilukon korkeudessa. Kuvassa 2 on kostean ilman kohdepoistosta tulevan lämmöntalteenottolaitteen jättöpuoli. Laite poistaa ilmaa lämpimän vesialtaan yläpuolelta. Poistoilma voi olla jatkuvasti arviolta 30 C ja RH 70 %. Laite on tällöin käytännössä aina toimiessaan märkä. Vesimäärä tässä tapauksessa voi olla useita litroja minuutissa. Tavallisten ilmanvaihtokoneiden viemäröintiratkaisut eivät ole tällöin riittäviä. Materiaalivalintojen tulee olla myös kosteutta kestäviä. Kun lämmöntalteenotossa kondensoituu suuria määriä vettä, olisi lämmöntalteenottopatterin jälkeinen kammio hyvä varustaa pisaran erottimella, jolloin neste ei pääsisi kulkeutumaan ilmavirran mukana puhaltimeen, vaan jäisi viemäröityyn kammioon.
18 Kuva 2. Ilmanvaihtokoneen ristivirtalämmöntalteenoton jättöpuoli. Kuvassa 3 näkyy saman kohdepoiston kammiopuhaltimen kammio. Jatkuva veden läsnäolo on johtanut tilanteeseen, jossa kammiossa on aina koneen käynnissä ollessa vettä. Kammiossa ei ole viemäröintiä, joten kammioon ilmavirran mukana päässyt vesi valuu koneen raoista konehuoneen lattialle. Koneessa on tavalliset koneen kyljessä olevat viemäröintiyhteet, jotka sijaitsevat lämmöntalteenoton molemmin puolin.
Kuva 3. Ilmanvaihtokoneen poistopuhaltimen kammio. 19
20 4 SAVUKAASUT 4.1 Savukaasujen koostumus Polttoaineella on olennainen vaikutus savukaasun koostumukseen. Polttoaineessa olevan rikin, kloorin ja fluorin yhdisteistä syntyvät hapot ovat vaarallisia järjestelmälle. Yleisempiä näistä ovat rikki ja kloori. Näistä syntyviä rikin happoja ja suolahappoa kestäviä lämmönsiirrinmateriaaleja on tällä hetkellä valittavissa useita. Fluorivetyhappo on harvinaisempi ja sitä sisältävät usein vain jätteenpolttolaitoksissa poltettavat jätteet ja tietyiltä alueilta tulevat kivihiilet. Fluoria sisältäviä happoja voidaan käsitellä vain fluorilla päällystetyillä esineille. Fluorivetyhappo syövyttää muun muassa lasia, kuparia ja lyijyä. Tämä tarkoittaa sitä, että käytännössä lämmönsiirtimet täytyy suunnitella teflonputkilla tai teflonpäällysteillä. [14] 4.2 Savukaasun koostumuksen vaikutus suunnitteluun Käytetyn polttoaineen koostumus täytyy selvittää. Tuhkan muodostus ja savukaasun vesipitoisuus vaikuttavat lämmönsiirtimien suunnitteluun ja puhtaana pysymiseen. Alakangas käsittelee kattavasti Suomessa käytettäviä polttoaineita sekä niiden koostumuksia VTT:n tutkimusraportissa numero 2045. [15] 4.3 Savukaasupesurit (scrubber) Pesureissa tarkoitus on vähentää typen oksideja ja ilmakehään pääseviä happamia yhdisteitä. Teknisiä sovelluksia on lukemattomia erilaisia mutta idea on sama. Nestevirta, joka yleensä on prosessivesi, saatetaan kosketuksiin kaasuvirran kanssa, jolloin kaasut ja partikkelit sekoittuvat veteen. Vesivirran ja kaasuvirran kosketuspinta-ala pyritään aina maksimoimaan. Tällöin vesivirta sumutetaan tai ruiskutetaan kaasuvirtaan tai vesi ruiskutetaan täyteainepakan läpi, jolloin märät täyteainekappaleet toimivat lämmönsiirtopintana. Tästä prosessivedestä voidaan ottaa lämpöä talteen. Mikäli savukaasu on riittävän puhdasta eikä sisällä tuhkaa, voidaan lämpöä ottaa talteen tavallisilla lämmönsiirtotekniikoilla kuten sileäputkilämmönsiirtimillä. Lämmönsiirtimen puhdistusmahdollisuudesta täytyy tällöin varmistua. Voidaan käyttää automaattisia puhdistuslaitteita tai mahdollistaa manuaalinen puhdistettavuus sopivalla rakenteella.
21 4.3.1 Ilmastonäkökohdat Savukaasun puhdistus ja lämmön talteenotto ovat usein toisistaan riippuvia asioita jotka saavutetaan samassa prosessissa. Puhdistus on pakollinen toimenpide, jota säätelee lainsäädäntö ja lämmöntalteenotolla tästä investoinnista on mahdollista saada kannattavampi. Savukaasupesulla on mahdollista saavuttaa merkittävä pienhiukkapäästöjen pienentyminen. Kaasumaisia polttoaineita kuten maakaasua poltettaessa pienhiukkasia ei synny juuri lainkaan polttoaineen puhtauden takia. 4.3.2 Jätevesien käsittely Märkäpesureissa jätevesien käsittely on otettava huomioon kannattavuuslaskelmia tehtäessä. Mikäli jätevedet pyritään laskemaan kunnalliseen viemäriin, täytyy ne puhdistaa tarvittavalle tasolle. [16] Epäpuhtaudet voidaan myös puhdistaa kaasuista puolikuivalla tai kuivalla tekniikalla. Tällöin pesuri mitoitetaan niin, että savukaasuvirtaan suihkutettava vesi höyrystyy kokonaan kaasuvirtaan. Pesuvedessä olevat aineet suodatetaan pesurin jälkeen muilla tekniikoilla pois ulospuhallettavasta kaasusta. Näin voidaan säästää jätevesien käsittelyssä, mutta puhdistuksessa käytettäviä aineita kuluu enemmän. [17] Lauhdevesien käsittelyprosessi pohjautuu muutamaan vaiheeseen. Ensin ph-arvo säädetään sopivalle tasolle. Usein tähän käytetään natriumhydroksidia, joka arkikielessä tunnetaan paremmin lipeänä. Tämän jälkeen aine saostetaan sopivalla aineella. Usein tähän käytetään kalkkiyhdisteitä, joiden kalkki reagoi happojen kanssa. Liuos johdetaan saostusaltaisiin joista kiintoaineet kerätään muiden poltossa syntyneiden kiintojätteiden sekaan. Käsitelty vesi voidaan johtaa viemäriin, jos se täyttää viranomaisen määräykset. [18]
22 5 RASVAISET ILMAVIRRAT 5.1 Rasvan hajotus Erilaiset rasvat voidaan hajottaa rasvakanavassa, jolloin nuohouksen ja mahdollisen lämmöntalteenoton puhdistuksen tarve vähenee. 5.1.1 Otsonointi Otsoni on tehokas hapetin, joka hapettaa poistoilman hajuja aiheuttavat kaasut ja rasvamolekyylit hajottaen ne vedeksi ja hiilidioksidiksi. Otsonointilaitteistot tuottavat pieniä määriä otsonia poistokanavaan ja reagoivat siellä vähentäen rasvakanavan seinämiin ja laitteisiin tarttuvan rasvan määrää. Tämä vähentää kanavien nuohoustarvetta ja lämmön talteenottopatterin puhdistustarvetta, jolloin lämmönsiirtopinnat pysyvät pidempään puhtaina. 5.1.2 UV ja TiO 2 Ultraviolettivalon ja titaanioksidin yhteisvaikutukseen perustuvat suodatusjärjestelmät hajottavat rasvamolekyylejä pienemmiksi molekyyleiksi ja ideaalisessa tilanteessa jäljelle jää vettä ja hiilidioksidia. Tämän tyyppiset järjestelmät ovat usein integroituna esimerkiksi ravintolan keittiön huuvaan. Näissä titaanioksidilla pinnoitetut rasvasuodattimet toimivat katalyytteinä ja ultraviolettivalo on reaktiossa merkittävämmässä asemassa. Etuina otsonin tuotantoon perustuviin laitteistoihin nähden voidaan ajatella, että nämä ovat usein osa huuvatoimitusta eivätkä erillisenä järjestelmänä. [2] 5.2 Rasvan erotus Rasvaa hajottavien järjestelmien tukena tulee käyttää erilaisia suodattavia tekniikoita. Rasvasuodattimet ja syklonitekniikalla toimivat pienet erottimet erottavat pienet rasvapisarat ilmavirrasta, jolloin hajotustekniikka voi toimia tehokkaammin. Syklonitekniikalla saadaan poistoilmasta kerättyä ja mahdollisesti kierrätettyä suurimmat rasvapartikkelit. Syklonien jälkeen ilma voidaan johtaa rasvasuodattimen läpi, jolloin rasvapartikkelit törmäävät rasvasuodattimeen. Tämän jälkeen ilmassa on jäljellä hyvin pieniä rasvapartikkeleita, joita on vaikea suodatustekniikalla poistaa ilmavirrasta hyvin pienen partikkelikoon vuoksi.
23 6 MUIDEN POISTOILMAN EPÄPUHTAKSIEN HALLINTA 6.1 Kaasumaiset aineet Kuivapesu Kuivapesua käytetään absorboimaan ja neutraloimaan happamia kaasuja. Järjestelmässä kaasuvirtaan suihkutetaan alkaliliuosta, joka muodostaa kaasun happojen kanssa suoloja ja höyrystää suihkutettavan nesteen. Tällöin kuiva-aine voidaan kerätä järjestelmästä erillisillä tekniikoilla, jolloin jäljelle jää puhdasta kaasua. Tyypillisiä käyttökohteita ovat esimerkiksi jätteenpolttolaitokset, runsasrikkistä kivihiiltä käyttävät laitokset sekä lasin sulatusuunit. [8] Reaktiot happojen ja alkalin välillä tapahtuvat tehokkaimmin vesiliuoksessa. Tällöin reaktiosta saadaan paras tulos kun optimoidaan järjestelmään ruiskutettavan veden määrä siten, että kaikki vesi saadaan höyrystettyä ja nestepisarat säilyvät järjestelmässä mahdollisimman pitkään mahdollistaen reaktiot. Suihkutettava aine ei välttämättä toiminta-olosuhteissa pysy liuoksena vaan nesteen seassa saattaa olla kiintoaineita. Suunniteltaessa tämä asettaa erikoisvaatimuksia esimerkiksi suuttimille ja pumpuille. [8] Pesu täytekappaletornissa Täytekappaletorneja käytetään likaisen partikkeleita ja kaasumaisia epäpuhtauksia sisältävän ilmavirran puhdistukseen. Puhdistus tapahtuu kun partikkelit tarttuvat märkään täytekappaleen pintaan tai kaasumaiset aineet absorboituvat pesunesteeseen. Kaasumaisten aineiden puhdistus on merkittävästi monimutkaisempi ilmiö ja lisäksi osa partikkelien puhdistusta tehostavista ominaisuuksista heikentää absorptioon perustuvan puhdistuksen tehoa. Partikkelien puhdistukseen vaikuttavat esimerkiksi nesteen määrä ja virtausnopeus tehostavasti, koska törmäysnopeus kasvaa. Kaasun puhdistuksessa taas kaasun virtauksen otsapintanopeuden kasvaessa puhdistusteho heikkenee, sillä kaasu viipyy pesurissa lyhyemmän aikaa, jolloin absorptiolle jää vähemmän aikaa. Vesivirran kasvattamisella ei ole merkittävää vaikutusta kaasun absorboitumiseen, koska nesteen pinta-ala ei kasva merkittävästi. Lisäksi suuri otsapintanopeus saattaa heikentää nesteen virtausta täytekappaleiden läpi, jolloin nestepinta-ala pienenee tornin alaosissa. Usein suurin pesuteho saavutetaan silloin, kun kaasun nopeus on suurin mahdollinen, jolloin pesuneste ei vielä tempaudu kaasuvirran mukaan ja kuivata täytekappaleita. [8] [19]
24 Täytekappaleiden tarkoitus on lisätä absorptiopinta-alaa sekä sekoittaa ilmavirta, kuitenkin samalla pitäen paine-häviö pienenä. Täytekappaleita valmistetaan keraameista, metalleista ja muovimateriaaleista. Yleisimmin käytössä on muovimateriaalit niiden hyvän kemiallisen kestävyyden vuoksi. Lisäksi tuotanto ja materiaalikustannukset ovat edulliset. Näiden haittapuolena on heikko kestävyys kuumille lämpötiloille, jolloin ne voivat sulaa tai menettää muotonsa. [8] Täytekappaletornien tehokkuutta on vaikea arvioida tapahtuman monimutkaisuuden takia. Tästä syystä täytekappaletornin tehokkuuksia arvioidaan vertaamalla niitä hiilidioksidin ja ilman seoksen absorboitumiseen natriumhydroksidi-vesi-liuokseen. Tämän jälkeen on eri aineille laskettu filmiteorian avulla vertailukertoimia, joiden avulla pystyy arvioimaan tornin tehokkuutta ja kokoa. [8] Kaasujen adsorptio Adsorptiossa kiinteän aineen pintaan tarttuu kaasu tai nestefaasista yhdestä kolmeen molekyylin paksuinen kerros van der Waalsin (London dispersio) voimilla. Kaupallisia adsorbentteina käytetään aineita joiden pinta-ala/tilavuus suhde on mahdollisimman suuri. Tämän kaltainen aine on esimerkiksi aktiivihiili, joka on erityisen huokoinen aine. Yksi gramma aktiivihiiltä voi sisältää 1000 m 2 sisäistä pinta-alaa. Adsorptioaineita käytetään poistamaan kaasuista orgaanisia kaasuja, vesihöyryä, hajuja ja muita kaasumaisia epäpuhtauksia. [8] Yksi käyttöalue on ilman puhdistukseen tarkoitetut laitteet. Näiden tarkoituksena on puhdistaa ilmasta halutut epäpuhtaudet pois. Yleensä nämä laitteet myös kuivattavat ilmaa. Adsorptioaine likaantuu käytön myötä. Käyttöaikaa riippuu täysin ilman likaisuudesta. Adsorptio on reversiibeli prosessi, jolloin puhdistava aine on mahdollista puhdistaa eli regeneroida. Tähän käytetään puhdasta matalapainekaasua tai muuta huuhtelua. Myös korkealämpötilaista lämpökäsittelyä voidaan käyttää, joskin järjestelmä on usein niin kallis, että lämpökäsittely kannattaa tilata ulkoiselta toimijalta, joka yleensä on adsorptioaineen toimittaja. [8] Adsorptio on eksoterminen prosessi, jossa lämpöä sitoutuu 90-140 J/mol sitoutuvasta aineesta riippuen. Lisääntynyt lämpö voi aiheuttaa puhdistusmateriaalin syttymisen tietyissä järjestelmissä. Lisäksi adsorptiomateriaalin ominaisuudet ovat paremmat matalammissa lämpötiloissa. [8] On myös kehitetty materiaaleja, jotka adsorboivat vettä, mutta suuremmat molekyylit eivät tartu materiaalin pinnoille. Tämän kaltaisia materiaaleja voidaan käyttää esimerkiksi ilman kuivattamiseen. Esimerkiksi lämmön talteenottoroottori voidaan päällystää materiaalilla, joka adsorboi tuloilmasta vettä ja siirtäen sitä poistoilmaan vähentäen jäähdytystarvetta. Suomessa adsorptioroottoreille on vähän käyttökohteita melko kylmän ja kuiva ilmaston takia. Jäähdytetyissä varastoissa sekä kuuman ja kostean ilmaston